L'oxydation du platine observée en temps réel : la clé pour prolonger la durée de vie des électrolyseurs
De nouvelles découvertes sur l'oxydation du platine pourraient rendre les technologies de l'hydrogène plus abordables
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Les électrolyseurs produisent de l'hydrogène. Les piles à combustible, quant à elles, génèrent de l'électricité à partir de l'hydrogène. Ces deux technologies sont considérées comme des éléments clés de la transition énergétique, offrant des solutions éprouvées pour le stockage, le transport et la production d'énergie renouvelable. Il existe toutefois un défi : les catalyseurs au platine souvent utilisés dans ces systèmes perdent progressivement en efficacité sous des charges de fonctionnement élevées. En quelque sorte, ils « s’usent » trop rapidement, ce qui augmente les coûts des technologies de l’hydrogène.
Une équipe de recherche à laquelle participe le DESY a désormais, pour la première fois, observé en temps réel comment une couche d’oxyde se forme à la surface du platine sous l’effet d’une tension électrique. Ces découvertes pourraient contribuer à ouvrir la voie à des technologies de l’hydrogène plus durables. Les résultats ont été publiés dans Nature Communications.
Le platine est l’un des matériaux les plus importants utilisés dans les électrolyseurs et les piles à combustible. Ce métal précieux agit comme un catalyseur, accélérant les réactions chimiques nécessaires, par exemple, à la production ou à l’utilisation de l’hydrogène. Sous haute tension, cependant, la surface du matériau se modifie et perd progressivement son activité catalytique.
Une équipe de recherche internationale a désormais étudié ces changements au niveau atomique à l’aide de méthodes de rayons X à haute résolution sur la source de rayons X PETRA III du DESY. Les mesures montrent qu’une fine couche d’oxyde se forme progressivement à la surface du platine sous l’effet d’une tension électrique, modifiant ainsi la structure interne du matériau.
« Nous observons un équilibre entre stabilité et activité », explique Andreas Stierle, chercheur principal au DESY et professeur à l’université de Hambourg. « L’oxydation protège en partie la surface du platine contre une perte supplémentaire de matière, mais rend en même temps le catalyseur moins efficace. Une meilleure compréhension de ces processus est cruciale pour développer des matériaux plus durables pour les électrolyseurs et les piles à combustible. »
Les chercheurs ont également observé que l’oxydation se déroule couche par couche et forme une couche d’oxyde de platine désordonnée à haute tension. Pour ces expériences, l’équipe a combiné pour la première fois trois méthodes complémentaires utilisant les rayons X afin d’étudier simultanément la structure atomique de la surface du platine, l’épaisseur de la couche d’oxyde et sa composition chimique – le tout dans des conditions de fonctionnement réalistes.
« La principale avancée a consisté à combiner des techniques de rayonnement synchrotron de pointe avec une méthode bien établie issue de l’électrochimie fondamentale », explique le premier auteur, Leon Jacobse, qui a mené ces travaux au Centre for X-ray and Nano Science (CXNS) du DESY. « Cela nous a permis de suivre les changements à l’échelle atomique pendant que la réaction se déroulait. »
Vedran Vonk, de l’équipe d’Andreas Stierle, ajoute : « Cette nouvelle combinaison de méthodes nous permet de suivre en temps réel les changements structurels des catalyseurs dans des conditions de fonctionnement réalistes. Nous pouvons ainsi établir un lien direct entre les performances des matériaux et les processus de vieillissement. »
Une avancée importante : ce n’est qu’en comprenant les processus infimes qui se produisent au niveau des atomes de platine que les chercheurs peuvent développer de nouvelles stratégies pour contrer la dégradation. Vedran Vonk ajoute : « Cela ouvre également de nouvelles possibilités pour d’autres processus électrochimiques, notamment les technologies de batteries, où des effets de vieillissement similaires se produisent. »
De futures études examineront comment les matériaux catalytiques plus proches des applications concrètes – tels que les nanoparticules de platine – évoluent dans des conditions de fonctionnement. À long terme, ces résultats pourraient aider les chercheurs à développer des matériaux plus économes en ressources et plus abordables pour les électrolyseurs, contribuant ainsi à des technologies de l’hydrogène plus efficaces et économiquement viables.
Cette étude a réuni des chercheurs du Centre for X-ray and Nano Science (CXNS) du Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, de l’université de Hambourg, de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg et de l’université Justus Liebig de Giessen.
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Publication originale
Leon Jacobse, Ralf Schuster, Mona Kohantorabi, Daniel Silvan Dolling, Johannes Pfrommer, Xin Deng, Tim Weber, Olof Gutowski, Ann-Christin Dippel, Olaf Brummel, Yaroslava Lykhach, Heshmat Noei, Herbert Over, Jörg Libuda, Vedran Vonk, Andreas Stierle; "Platinum oxide formation under oxygen evolution reaction conditions"; Nature Communications, Volume 17, 2026-5-14
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